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Accademia dei Georgofili, 24 maggio 2012
Regolazione redox nel cloroplasto Mirko Zaffagnini
Laboratorio di Fisiologia Molecolare delle piante, Università di Bologna
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Fase “luminosa” Fase “oscura”
La fotosintesi ossigenica
Alghe verdi (Cr)
Piante superiori (At)
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La fase luminosa o fase luce-dipendente
Fase “oscura”
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La fase oscura o Ciclo di Calvin-Benson
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Proteina(e)?
La scoperta del sistema ferredossina/tioredossina
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Proteina(e)?
Light
Fd: ferredossina
FTR: ferredossina:tioredossina reduttasi
TRX: tioredossina
La scoperta del sistema ferredossina/tioredossina
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Piccole proteine di circa 12-14 kDa, solubili e termostabili
Struttura 3D: 5 foglietti β circondati da 4 α-eliche
Sito attivo: 2 cisteine conservate (W-CysN-(G/P)-P-CysC)
Presente in tutti gli organismi viventi
Nel cloroplasto: Trx-f e Trx-m
Tioredossine (Trx):
CysN CysC
Tioredossine cloroplastiche: informazioni generali
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Tioredossine cloroplastiche: target e ruolo fisiologico
SH
SH Trx f
PSI
FTR Fd
Light
SH
SH Trx x
FBPase, GAPDH, DAHP synthase
PRK, SBPase, NADP-MDH, G6PDH, CF1 ATPase, Rubisco activase, ACCase, AGPase, TR-BAMY, GWD
SH
SH Trx m
SH
SH Trx y
Metabolismo del carbonio
2-cys PRX MSRB2, PRX-Q, GPX
Risposta antiossidativa
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Tioredossine cloroplastiche: target e ruolo fisiologico
SH
SH Trx f
PSI
FTR Fd
Light
SH
SH Trx x
FBPase, GAPDH, DAHP synthase
PRK, SBPase, NADP-MDH, G6PDH, CF1 ATPase, Rubisco activase, ACCase, AGPase, TR-BAMY, GWD
SH
SH Trx m
SH
SH Trx y
Metabolismo del carbonio
2-cys PRX MSRB2, PRX-Q, GPX
Risposta antiossidante
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1000 1500 2000 Mass (m/z)
Organismi fotosintetici (At e Cr): genoma disponibile
Approccio proteomico:
Cr Identificare nuove proteine bersaglio delle Trx
Proteomica redox
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9 Tioredossine
>400 target potenziali (>130 nei cloroplasti)
Approcci proteomici
Proteomica redox: ponti S-S
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9 Tioredossine
>400 target potenziali (>130 nei cloroplasti)
Approcci proteomici
Proteomica redox: ponti S-S
Ciclo di Calvin Metabolismo dell’amido
Metabolismo dello zolfo
Metabolismo dell’azoto
Trasporto fotosintetico
Biosintesi AA e lipidi
Biosintesi isoprenoidi Metabolismo dell’ATP
Risposta antiossidante
etc…
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S1,7P
3 x RuBP
6 x 3 - PGA
6 x G3P
G3P
F1,6P
X5P E4P
G3P DHAP G3P DHAP G3P
3 x CO 2
X5P
F6P
S7P
R5P 3 x RuP
6 x 1,3 - PGA
or
RPI
PRK
PGK
Rubisco
FBA
RPE
Transketolase
Transketolase
A2B2 GAPDH
A4 GAPDH FBA
FBPase
SBPase
TPI
Regolazione redox del Ciclo di Calvin
Ciclo di Calvin
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S
S
S
S
S
S
S
S
S1,7P
3 x RuBP
6 x 3 - PGA
6 x G3P
G3P
F1,6P
X5P E4P
G3P DHAP G3P DHAP G3P
3 x CO 2
X5P
F6P
S7P
R5P 3 x RuP
6 x 1,3 - PGA
or
RPI
PRK
PGK
Rubisco
FBA
RPE
Transketolase
Transketolase
A2B2 GAPDH
A4 GAPDH FBA
FBPase
SBPase
SH
S-
TRX f
SH
S-
TRX f
SH
S-
TRX f
TPI
Regolazione redox del Ciclo di Calvin
Ciclo di Calvin
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S
S
S
S
S
S
S
S
S1,7P
3 x RuBP
6 x 3 - PGA
6 x G3P
G3P
F1,6P
X5P E4P
G3P DHAP G3P DHAP G3P
3 x CO 2
X5P
F6P
S7P
R5P 3 x RuP
6 x 1,3 - PGA
or
RPI
PRK
PGK
Rubisco
FBA
RPE
Transketolase
Transketolase
A2B2 GAPDH
A4 GAPDH FBA
FBPase
SBPase
SH
S-
TRX f
SH
S-
TRX f
SH
S-
TRX f
TPI
Regolazione redox del Ciclo di Calvin
Ciclo di Calvin
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Produzione di ROS durante la fase luminosa
O2
O2-. 3O2
1O2*
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Ossidazione
Residui contenenti zolfo: Cisteine e metionine
Co
nd
izio
ni d
i stre
ss
ab
iotic
o/b
iotic
o
DNA / RNA Lipidi
Proteine
Co
nd
izio
ni n
orm
ali
Specie reattive dell’ossigeno
(ROS: 1O2 , O2·ˉ, H2O2 )
HS
SH
SSG
HS
HS
SH
S‾ S HS
HS
S
ROS
TRX
ROS
Interazione ROS-proteine
Ridotta S-glutationilata Ossidata (ponte S-S)
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HS
S‾
HS
SH
H2O2
GRX
Simili alle Trx (TrxX fold e famiglia ampia
Sito attivo: (CysN-X-X-(CysC/S)
Sito di binding per il GSH
Glutaredossine (Grx):
Ridotta
SSG
HS
HS
SH
GSH
GSSG
Buffer redox (GSH e GSSG)
S-glutationilazione
Deglutationilazione
Glutatione
8.17 Å
12.26 Å
8.12 Å
GSH
S-glutationilata
S-glutationilazione: informazioni generali
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S-glutationilazione
>250 target potenziali (>50 nei cloroplasti)
Approcci proteomici
Proteomica redox: S-glutationilazione
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Proteomica redox: S-glutationilazione
Ciclo di Calvin Metabolismo dell’amido
Metabolismo dei nucleotidi
Metabolismo dell’azoto
Biogenesi proteine
Biosintesi AA
Degradazione delle proteine Metabolismo della clorofilla
Risposta antiossidante
etc…
S-glutationilazione
>250 target potenziali (>50 nei cloroplasti)
Approcci proteomici
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S
S
S
S
S
S
S
S
S1,7P
3 x RuBP
6 x 3 - PGA
6 x G3P
G3P
F1,6P
X5P E4P
G3P DHAP G3P DHAP G3P
3 x CO 2
X5P
F6P
S7P
R5P 3 x RuP
6 x 1,3 - PGA
or
RPI
PRK
PGK
Rubisco
FBA
RPE
Transketolase
Transketolase
A2B2 GAPDH
A4 GAPDH FBA
FBPase
SBPase
SH
S-
TRX f
SH
S-
TRX f
SH
S-
TRX f
TPI
Ciclo di Calvin
Regolazione redox del Ciclo di Calvin
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SG
SG
SG
SG
SG SG
SG
SG
SG
SG
SG
SG
S
S
S
S
S
S
S
S
S1,7P
3 x RuBP
6 x 3 - PGA
6 x G3P
G3P
F1,6P
X5P E4P
G3P DHAP G3P DHAP G3P
3 x CO 2
X5P
F6P
S7P
R5P 3 x RuP
6 x 1,3 - PGA
or
RPI
PRK
PGK
Rubisco
FBA
RPE
Transketolase
Transketolase
A2B2 GAPDH
A4 GAPDH FBA
FBPase
SBPase
SH
S-
TRX f
SH
S-
TRX f
SH
S-
TRX f
TPI
Ciclo di Calvin
Regolazione redox del Ciclo di Calvin
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Glutationilazione della Tioredossina f
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Tra le diverse Trx cloroplastiche solo la TRX-f subisce glutationilazione su una cisteina localizzata vicino al sito attivo
TRX-f
La glutationilazione della AtTRX f riduce la sua capacità di attivare gli enzimi target in condizioni di luce
Glutationilazione della Tioredossina f
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Luce/Buio
Ciclo di Calvin
Trx f
Ottimizzazione dell’utilizzo del potere riducente (NADPH) e dell’energia (ATP) per l’organicazione della CO2
Regolazione del Ciclo di Calvin: luce vs buio e luce/ROS
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Luce/Buio
Ciclo di Calvin
Trx f
Ottimizzazione dell’utilizzo del potere riducente (NADPH) e dell’energia (ATP) per l’organicazione della CO2
Stress ossidativo
ROS
Trx f
ROS
GRX
GSH
Signalling cellulare e redistribuzione del potere riducente verso il sistema antiossidante (glutatione, ascorbato ed enzimi)
Regolazione del Ciclo di Calvin: luce vs buio e luce/ROS
GSH
GSH
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Luce/Buio
Ciclo di Calvin
Trx f
Ottimizzazione dell’utilizzo del potere riducente (NADPH) e dell’energia (ATP) per l’organicazione della CO2
Stress ossidativo
ROS
Trx f
ROS
Signalling cellulare e redistribuzione del potere riducente verso il sistema antiossidante (glutatione, ascorbato ed enzimi)
Regolazione del Ciclo di Calvin: luce vs buio e luce/ROS
GSH
GSH
Stress nitrosativo
RNS
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Laboratorio di Fisiologia Molecolare delle Piante
Paolo Trost
Institut de Biologie Physico-Chimique (CNRS) Paris, FR
Myroslawa Miginiac-Maslow
Stéphane Lemaire
Paolo Pupillo
Francesca Sparla
Institut de Biotechnolgie des Plantes (CNRS) Orsay, FR
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